Correlação entre a Resistência à Corrosão e as Tensões Residuais de um Aço Inoxidável Lean Duplex UNS S32304 Tratado Termicamente.

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1 [~][/~][~][/~][~] [/~][~] [/~] Correlação entre a Resistência à Corrosão e as Tensões Residuais de um Aço Inoxidável Lean Duplex UNS S32304 Tratado Termicamente. Merlo, P. P. 1 ; Milagre, M. X. 1 ; Machado, C.S.C. 1 ; Macêdo M. C. S. 1 ; Orlando, M. T. D. 1 1 Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Universidade Federal do Espírito Santo, Vitória, ES, Brasil Abstract O aço inoxidável lean duplex UNS S32304, objeto de estudo deste trabalho, apresenta um custo inferior em relação a outros AID devido à substituição parcial do níquel por nitrogênio como elemento estabilizador de austenita. Tratamentos térmicos podem promover a precipitação de fases secundárias nos AID, resultando no empobrecimento em cromo nas regiões adjacentes aos precipitados. Tal fenômeno é conhecido como sensitização e é prejudicial à resistência à corrosão localizada do material. Neste trabalho, amostras do aço UNS S32304 foram tratadas termicamente por 8 horas na temperatura de 475 C e resfriadas sob duas condições, ao ar e na água do mar. Para avaliar a resistência à corrosão foram realizados ensaios DL-EPR nas amostras como recebida pelo fabricante e tratadas, e os resultados foram correlacionados com os dados de tensão residual em cada amostra, obtidas por difração de raios x. Foi medida a microdureza Vickers com auxilio de microdurômetro. Palavras chaves: aços inoxidáveis duplex, resistência à corrosão, tensão residual. 1. Introdução Os aços inoxidáveis duplex (AID) apresentam microestrutura constituída por um balanço entre as fases ferrita (CCC) e austenita (CFC) em frações volumétricas aproximadamente iguais. A austenita confere elevada resistência mecânica e à corrosão sob tensão, enquanto a ferrita contribui com uma boa ductilidade e resistência à corrosão em geral. Esse material é amplamente empregado na indústria petroquímica, de papel e celulose e na construção civil [1]. Em sua fabricação, após o processo termo-mecânico de laminação e tratamento térmico de solubilização para obtenção da estrutura bifásica, tensões residuais podem ser impostas no material, as quais tendem prejudicar as propriedades mecânicas [2]. O emprego de tratamentos térmicos pode também promover a precipitação de fases secundárias nos AID, resultando no empobrecimento em cromo nas regiões adjacentes aos precipitados. Tal fenômeno é conhecido como sensitização e é prejudicial à resistência à corrosão localizada do material [3]. O estudo de como as variações de tensões residuais se correlacionam com as propriedades corrosivas dos metais torna-se importante para que falhas prematuras sejam evitadas [4]. 2. Materiais e Métodos Foram utilizadas tiras de aço inoxidável duplex UNS S32304, fabricadas por processo de laminação a quente seguido de tratamento térmico de solubilização a 1038 C. As tiras foram cortadas em máquina de corte automática e apresentaram as dimensões finais de 72x72x1,8 mm.

2 As amostras foram tratadas termicamente em forno tipo mufla programável, a 475 C sob uma atmosfera ambiente com tempo de 8 horas e resfriadas ao ar e água do mar (maior severidade). As amostras foram classificadas conforme a Tabela 1. Tabela 1: Características das amostras Amostras Características CR Como recebida pelo fabricante 475 AR Resfriada ao ar 475 ÁGUA Resfriada à água do mar A superfície das amostras foi preparada com desbaste eletroquímico, conforme a norma ASTM-E1558 [4], para remoção da camada de óxidos formada. Utilizouse solução de H2SO4 25% por 10 minutos para a amostra do grupo CR e 20 minutos para as amostras do grupo 475. Para as medidas de tensão residual foi utilizado um difratômetro de raios-x, da marca Rigaku, numa geometria Bragg-Brentano e radiação CuKα (λ = 1,5419 ). Foi acompanhado o comportamento do pico 420 da fase austenítica, conforme a norma SAE HS A amostra foi fixada na posição ϕ=0 que representa a direção paralela a direção de laminação. As tensões residuais foram calculadas pelo método do sen²ψ. Para a determinação da posição 2θ do pico analisado utilizou-se o método de localização em função da intensidade por meio da função matemática Pearson7A com o auxilio do programa gráfico FityK. Para esta análise, o módulo de elasticidade e coeficiente de Poisson utilizados foram E = 190 GPa e ν = 0,305, respectivamente[2,5]. O ensaio de microdureza foi realizado utilizando-se um microdurômetro (Pantec modelo HDX-1000TM) e o penetrador tipo Vickers, com carga de 10 kgf e duração de aplicação de 15s. Foram realizadas 15 indentações de maneira aleatória em cada fase da amostra, utilizando a face superior das amostras para realização das medidas, já que nessa região os grãos encontramse maiores, facilitando a medida nas distintas fases. Os ataques químicos utilizados para revelar as fases foram: ataque eletrolítico 10N de KOH, 2,5 V por 5s e ataque eletrolítico com solução de ácido oxálico 10%, a 6 V durante 20s [6]. As amostras foram embutidas em resina polimérica ligadas a um fio de cobre para fechar circuito com o potenciostato da marca Autolab Type III e lixadas até #600. Os ensaios de corrosão foram repetidos pelo menos três vezes em cada amostra e iniciados após o potencial de circuito aberto ter atingido um estado estacionário próximo ao tempo de 30 min. Após estabilização do potencial, foi iniciada a varredura na direção anódica a uma taxa de 1 mvsce.s-¹ até um potencial de 0,3 VSCE e então a varredura foi invertida na direção catódica, mantendo-se a mesma taxa de varredura, até o potencial de circuito aberto. A solução consistiu de 2 M de H2SO4 + 0,01 M de KSCN. O grau de sensitização do material foi avaliado a partir da razão Ir/Ia onde Ia é a máxima corrente atingida na varredura anódica e Ir é a máxima corrente atingida na varredura no sentido catódico [7]. 3. Resultados e Discussão 3.1 Tensão Residual Gráficos deformação (εϕψ) em função do sen²ψ foram construídos a partir dos difratogramas e os valores de tensão residual para cada condição analisada puderam ser calculados, como ilustrado na Figura 1. A partir destes resultados foi elaborado o gráfico da Figura 2, que representa as tensões residuais médias nas três amostras. O processo de laminação realizado em uma determinada direção com baixa penetração gera tensões residuais compressivas na superfície e trativas no interior do metal [5]. Após os tratamentos térmicos pode-se observar um relaxamento de tensões na fase austenítica, sendo esse efeito mais pronunciado para a amostra resfriada ao ar. Tal fato pode estar relacionado com a difusão dos elementos de liga, movimentação de defeitos, aumento do tamanho de grão e oxidação do material, os quais apresentaram um maior tempo para ocorrência na amostra 475 AR [8]. No que diz respeito à fase ferrítica, as tensões residuais compressivas foram aumentadas. Em tratamentos à temperatura de 475ºC há previsão de precipitação da fase alfa linha (α ) na matriz ferrítica, o que promoveria a introdução de tensões residuais compressivas, além daquelas geradas devido à expansão da austenita.

3 3.3 Ensaios DL-EPR A Figura 4 ilustra o resultado do ensaio DL-EPR para as 3 amostras. O grau de sensitização das amostras foi obtido a partir da razão entre Ir (pico da corrente catódica) e Ia (pico da corrente anódica). Figura 1: Deformação do pico 420 da fase austenita em função do sen²ψ para a amostra CR. Figura 2: Tensões residuais médias calculadas para as três amostras. 3.2 Microdureza Vickers Pela análise da Figura 3 concluí-se que após o tratamento térmico há um aumento na microdureza das amostras. Isso pode ser explicado também pela formação de α. A diferença entre os parâmetros de rede entre α e ferrita introduz tensões internas que prejudicam a mobilidade de discordâncias, o que resultaria em aumento da dureza da liga [10]. Figura 4: Resultados dos ensaios DL-EPR para as 3 amostras. A Figura 5 mostra o grau de sensitização calculado. A fase α é rica em cromo e sua precipitação acarreta na depleção deste elemento nas regiões adjacentes, o que é prejudicial para a resistência à corrosão, por isso é observada uma maior sensitização nas amostras tratadas [3,6]. A amostra 475 ÁGUA (meio de resfriamento mais severo) apresentou maior microdureza em ambas as fases, o que pode indicar, segundo a literatura, maior precipitação de α, logo sua resistência à corrosão foi afetada em maior grau [9]. 3.4 Relação entre tensão residual e resistência à corrosão A Tabela 2 mostra a macrotensão calculada para as amostras em cada uma das condições, a partir das microtensões residuais. Tabela 2: Macrotensões calculadas das amostras em MPa. Amostra CR 475 AR 475 ÁGUA Macrotensão (MPa) -265(1) -184,1(2) -159(2) Figura 3: Resultado de microdureza Vickers para as 3 condições das amostras do aço UNS S32304

4 Figura 5: Graus de sensitização obtidos através do ensaio DL-EPR para as 3 amostras. Figura 6: Correlação entre a macrotensão e o grau de sensitização. Através da Figura 6 concluí-se que o aumento da macrotensão implica em diminuição do grau de sensitização da amostra. Um maior nível de tensões compressivas na liga pode ser benéfico para a estabilidade do filme passivo. A razão entre Cr/Fe na camada de óxido tende a aumentar com a elevação das tensões compressivas [10]. 4. Conclusão Tratamentos térmicos à temperatura de 475ºC promovem a precipitação de fases deletérias e alteram o perfil de tensões residuais no aço inoxidável lean duplex. A formação da fase alfa linha pode explicar a elevação de microdureza e diminuição da resistência à corrosão do aço nessa faixa de temperatura. A relação entre a macrotensão e o grau de sensitização indica que tensões residuais compressivas favorecem a estabilidade da camada de óxido, consequentemente, auxilia a resistência à corrosão. 5. Referências [1] Gunn, RN. Duplex stainless steels: microstructure, properties and applications. 3ª edição. Cambridge: Woodhead Publishing; [2] Withers, PJ;Bhadeshia HKDH. Residual stress part 2: nature and origins, Materials science and technology. 2011;17: [3] Lo, K.H.; Shek, C.H.; Lai, J.K.L. Recent developments in stainless steel. Materials Science and Engineering, p , [4] ASTM E1558. Standard guide for electrolytic polishing of metallographic specimens. ASTM International [5] Dakhlaoui R.; Baczman A.; Brahamski C.; Wronski S.; Wierzbanowski K.; Oliver EC. Effect of residual stresses on individual phase mechanical properties of austeno-ferritic duplex stainless steel. Acta Materialia. 2006; 54: [6] ASTM E Standard Practice for Microetching Metals and Alloys. ASTM International, [7] Tavares, S.S.M.; Terra, V.F.; De Lima Neto, P.; Matos, D.E. Corrosion Resistance Evaluation of the UNS S31803 Duplex Stainless Steel Aged at Low Temperatures (350 to 550 C) Using DLEPR tests. Journal of Materials Science. Vol , [8] Chiaverini V. Aços e ferros fundidos. 6ª edição. São Paulo: ABM; [9] Van Boven, G.; Chen, W.; Rogge, R. The role of residual stress in neutral ph stress corrosion cracking of pipeline steels. Part I: Pitting and cracking occurrence. Acta Materialia. 2007, p [10] Baczmanski, A; et al. Examination of mechanical behavior of aged duplex steel using X-ray and neutron diffraction methods. Archives of metallurgy and materials.v [11] Vignal, V.; Delruea, O.; Heintz O.; Peultier, J. Influence of the passive film properties and residual stresses on the micro-electrochemical behavior of duplex stainless steels. Electrochimica Acta Agradecimentos Os autores agradecem à FAPES pela bolsa de Mestrado, e aos técnicos e engenheiros responsáveis pelos laboratórios da Universidade Federal do Espírito Santo e Universidade Federal Fluminense utilizados neste trabalho.

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